Ricordiamo chi sono i composti aromatici Idrocarburi aromatici.

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1 Ricordiamo chi sono i composti aromatici Idrocarburi aromatici

2 H HH H H H a b La completa delocalizzazione dei sei elettroni in un unico orbitale contenente sei elettroni è rappresentato graficamente con un anello interno all’esagono nei cui vertici sono collocati i sei atomi di carbonio.

3 H H H H H H H H H H H H Il benzene risuona fra le due forme limite. Il passaggio dall’una forma all’altra si verifica per semplice spostamento di cariche elettriche.

4 H HH H H H Nel benzene tutti gli atomi di carbonio hanno ibridazione sp 2 degli orbitali di valenza. I sei orbitali p z paralleli non ibridati di ciascuno dei sei atomi di carbonio contengono un elettrone

5 I 10 carboni del naftalene sono tutti ibridati sp 2 e ciascuno di essi contribuisce con 1 elettrone alla aromaticità dell’idrocarburo

6 Regola di Huckel per prevedere il comportamento aromatico di composti ciclici Un composto è aromatico se ha un numero di e -  = 4n + 2 o un numero dispari di doppietti Dove n = serie dei numeri naturali ne-       

7 Composti aromatici policiclici benzene naftalene antracene fenantrene

8 ciclooctatetraene Esempi di composti non aromatici

9 ETEROCICLICI Aromatici Composti ciclici con uno o più eteroatomi che possiedono un numero dispari di doppietti quindi sono aromatici Non aromatici Es semiacetali ciclici, esteri ciclici (lattoni)

10 imidazolo ETEROCICLICI AROMATICI : sono composti ciclici con l’anello formato non solo da atomi di C e H ma con eteroatomi es O,N,S Eterociclici con anello a 5 atomi pirimidina 4 1 2 3 5 6 Eterociclici con anello a 6 atomi piridina Eterociclici con anelli condensati Benzene+pirrolo = INDOLO Pirimidina + Imidazolo = PURINA importante

11 eterocicli penta-atomici pirrolo furano tiofene Imidazolo Si trova nell’istidina 1 eteroatomo 2 eteroatomi Si trova nell’eme Anello degli zuccheri a 5 atomi tiofeni sono importanti composti eterociclici utilizzati nella sintesi farmaceutica per produrre molecole più complesse

12 La risonanza è causa del carattere molto debolmente basico del pirrolo pirrolo K b = 2.5 x 10 -14 L’anello del pirrolo è l’unità costitutiva di vari pigmenti di grande importanza biologica (es le porfirine)

13 Porfirine sistema coniugato di 18 elettroni . Sono sostanze colorate stabili capaci di formare ioni complessi con metalli, con perdita dei due H + e formazione di quattro legami di coordinazione Porfina - H2 = Porfirina + Fe = eme è un complesso chimico membro di una famiglia di composti chiamati porfirine contenente un atomo di ferro. L'eme costituisce il gruppo prostetico, cioè la parte non proteica di una serie di proteine tra cui l'emoglobina, la mioglobina e i citocromi. Questa molecola deve la sua importanza al fatto che può legare l'ossigeno, sia in forma molecolare che in altri composti (biossido di carbonio CO 2, monossido di carbonio CO, H 2 O, ecc) proprio grazie all'atomo di ferro La Porfina è la molecola capostipite (cristalli rossi) non esiste in natura ma con catene laterali varie forma le principali sostanze biochimiche come la porfirina che è stabile e si complessa con igli ioni metallici

14 Ferro eme Il composto basico aromatico porfirina agisce da chelante del ferro, con 4 siti di coordinazione planari. Gli H centrali sono sostituti dal metallo. Le porfirine differiscono per i sostituenti laterali. La più comune, protoporfirina IX è nella emoglobina e citocromo P-450 Fe solitamente come Fe(II), ma può ossidarsi O 2 è un ossidante e ha un potenziale tale da poter ossidare Fe(II) a Fe(III) O 2 + Fe 2+  O 2 ¯ + Fe 3+ Fe(II) lega O 2 Fe(III) non lega O 2 Il Ferro si trova come ione complesso cioè nello stato di ibridazione d2sp3 e forma quindi 6 legami dativi (Rippa 1 pag 369)

15 Fe 6e in 3d 2e in 4s quando è Fe++ si ibridizza a d2sp3 e fa 6 legami dativi Spiegazione del perché il Fe++ fa 6 legami dativi

16 Non esiste come tale in natura, ma in complessi di coordinazione EME porfirina con Fe 2+ CLOROFILLAporfirina con Mg 2+ VIT B12porfirina con Co 2+

17 EME = ferro porfirina Mioglobina contiene 1 gruppo eme Emoglobina contiene 4 gruppi eme Pirrolo!!! Le porfirine sono composti macrociclici contenenti 4 anelli pirrolici tenuti assieme da ponti metinici (cioè di un atomo di C)

18 eme (Fe-protoporfirina IX) N H pirrolo Fe 2+ Nell’emoglobina il Fe è legato ai 4 N del pirrolo(porfirina) e gli altri due legami di coordinazione li fa uno con l’imidazolo dell’istidina di una globina e l’altro con l’ossigeno

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21 nella struttura di un amminoacido, l’istidina, è presente un eterociclico aromatico. Nell’imidazolo sono presenti due atomi di azoto istidina imidazolo 1 2 34 5

22 aromaticità dell'imidazolo H H H H N C C C N L’imidazolo ha carattere basico

23 Il K b dell'imidazolo (Kb=1,6x10-7) è influenzato dalla risonanza H+H+ Stabilizzazione per risonanza La possibilità che l’anello imidazolico contenuto nell’amminoacido istidina possa accettare ioni H + è molto importante nelle reazioni enzimatiche specialmente quelle che catalizzano reazioni di idrolisi (rottura di legami per aggiunta di acqua)

24 indolo triptofano L’anello pirrolico è presente nel gruppo indolico dell’amminoacido triptofano Benzene + pirrolo (anelli condensati)

25 Nella piridossina e nella nicotinammide è presente l’eterociclo aromatico piridina PIRIDOSSINA (VIT. B6) NICOTINAMMIDE (vit. PP) PIRIDINA

26 aromaticità della piridina la piridina è una base (K b =1,6x10 -9 ) N

27 altri eterocicli esa-atomici pirimidina 4 1 2 3 5 6  -pirano (anello deli zuccheri a 6 atomi) Nucleo delle Basi azotate RNA e DNA (citosina uracile e timina) 4 1 2 3 5 6

28 purina 1 2 3 8 9 4 5 6 7 Nucleo delle Basi azotate (DNA e RNA): adenina e guanina Anello pirimidinico + imidazolo

29 NUCLEOTIDI NUCLEOTIDE = BASE Azotata + RIBOSO + FOSFATO (mono-, bi- o trifosfato) BASE Azotata + RIBOSO= NUCLEOSIDE + Fosfato= NUCLEOTIDE Legami: Base –Zucchero (Ribosio o Deossiribosio) = legame N glicosidico Zucchero – Fosfato = legame estere

30 BASI PURINICHE E PIRIMIDINICHE Le basi puriniche e pirimidiniche sono costituenti dei nucleotidi. Nella cellula, i nucleotidi hanno funzioni importanti: energetiche (ATP è la moneta corrente per tutti gli scambi energetici della cellula), formano parte della molecola dei coenzimi NAD + e FAD (i trasportatori di elettroni nelle reazione di ossido-riduzione del catabolismo ossidativo) e sono le unità costitutive degli acidi nucleici (DNA e RNA). Le basi puriniche sono formate da 2 anelli condensati, mentre le pirimidiniche hanno un solo anello. Sono dette “basi” perché alcuni azoti possono protonarsi (diventare H + ) sottraendo H + dalla soluzione.

31 Basi puriniche (A e G) Basi pirimidiniche (C, U, T) pirimidina 4 1 2 3 5 6 purina 9

32 Adenosina trifosfato (ATP) Un esempio di nucleotide trifosfato è l’ATP (adenosine triphosphate): l’ATP è la “moneta corrente” per tutti i processi che producono e che consumano energia nella cellula. E’ caratterizzato da un alto potenziale di trasferimento del fosfato: cioè l’idrolisi del legame anidridico che unisce tra loro gli ultimi 2 fosfati, libera tanta energia: ATP + H 2 O  ADP + Pi (fosfato inorganico)  G = - 7.5 kcal/mole I motivi sono chimici: la repulsione tra cariche negative sui fosfati (minore quando perde un fosfato) destabilizza la molecola dell’ATP (= alto contenuto energetico potenziale) e la stabilizzazione di risonanza del fosfato (una volta idrolizzato) spinge la reazione verso l’idrolisi.

33 Legami anidridici Legame estere Legami N- glicosidico ATP (Adenosinatrifosfato) Perché l’idrolisi dell’ATP libera così tanta energia? ADP e ATP sono esempi di anidridi dell’acido fosforico Simile alle anidridi aciliche Energia libera negativa alta per l’idrolisi dovuta a: – repulsione elettrostatica – stabilizzazione dei prodotti per ionizzazione e risonanza – fattori entropici (aumenta il n. di molecole in soluzione adenina ribosio

34 Modello 3D dell’ATP L'ATP dona energia mediante reazione di idrolisi, mediata dall'enzima ATPasi, che nella maggior parte dei casi coinvolge il trasferimento di un gruppo fosfato. ATP4- +H2O --> ADP3- + P + H+ con una variazione di energia libera di - 30,5 kj/mole (ovvero 7,3 kcal/mole) ( esoergonica ) L'energia che si libera viene subito utilizzata grazie agli enzimi che coinvogliano questa energia alle reazioni che ne hanno bisogno. Nell'ATP c'è una tensione repulsiva tra gli atomi di ossigeno dei gruppi fosfato che a pH 7 sono ionizzati. Questa repulsione non è sufficiente ad idrolizzare l'ATP perché l'energia di attivazione è abbastanza elevata. Questi obbligano i due atomi di ossigeno carichi negativamente ad avvicinarsi alle cariche positive presenti su di essi. Questo genera una forte tensione. Quando gli ioni sono sottratti rimangono le cariche negative molto vicine tra loro, e questo genera una violenta repulsione che porta alla rottura del primo legame del gruppo fosfato con formazione di ADP e con ulteriore idrolisi di AMP Esercizio sull'ATP

35 nucleotide

36 2-desossiribosio ( 2-deoxyribose ) ribosio purinaadeninaguaninapirimidina citosina uracile timina Componenti chimici degli acidi nucleici

37 (Pirimidina) 3'- monofosfato (Purina) 5'- monofosfato I nucleotidi possono portare il gruppo fosfato in posizione 5' o 3' N n°1 N n°9 IMPORTANTE!!! I legami glicosidici si hanno tra l’N della base e l’OH beta dello zucchero in particolare tra l’N9 se la base è purinica o l’N1 se la base è quella pirimidinica Quindi Base-Zucchero =legame beta glicosidico tra N9 o1 della base e OH 1 del ribosio in forma beta Tra Zucchero e Fosfato= legame estere (OH dello zucchero in 3 o 5 e l’acido fosforico)(NB ricorda acido + alcol=estere)

38 Non è l’azoto 3 ma l’1

39 Basi, nucleosidi e nucleotidi BaseNucleosideNucleotideRNADNA AdeninaAdenosina Adenosina-5’-fosfato (Acido adenilico) AMPdAMP GuaninaGuanosina Guanosina-5’-fosfato (Acido Guanilico) GMPdGMP CitosinaCitidina Citidina-5’-fosfato (Acido citidilico) CMPdCMP TiminaTimidina Timidina-5’-fosfato (Acido timidilico) dTMP UracileUridina Uridina-5’-fosfato (Acido uridilico) UMP

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42 BASE AZOTATA Gruppo fosfato zucchero Il DNA è un polideossiribonucleotide E’ a doppio filamento I suoi monomeri sono i NUCLEOTIDI I nucleotidi sono formati: -gruppo fosfato - zucchero deossiribosio - base azotata Le basi azotate sono 4: -Adenina -Guanina -Timina -citosina purine, 2 anelli pirimidine, 1 anello Adenina e timina possono legarsi con 2 legami a idrogeno Guanina e citosina possono legarsi con 3 legami a idrogeno complementarietà DNA : Basi Adenina Timina Citosina e Guanina) Zucchero 2- deossiribosio) 2 eliche

43 Il legame 3’-5’-fosfodiestereo unisce i nucleotidi adiacenti negli acidi nucleici. deossi nel DNA! 

44 AdeninaGuanina Timina Citosina Deossiribosio Fosfato Deossiribosio Fosfato Le formule chimiche dei quattro nucleotidi P ZB presenti nella molecola di DNA TA AT CG CG

45 TA TA CG TA CG P Z P P P P P P P P P Z Z Z Z Z Z Z Z Z DNA struttura chimica E….analogia con la scala a pioli

46 Struttura primaria degli acidi nucleici Come per le proteine, gli acidi nucleici hanno una struttura primaria, costituita dalla sequenza di basi e una direzionalità che presenta un’ estremità 5' libera da un lato ed una 3' libera dall'altro. Per convenzione le sequenze degli acidi nucleici sono scritte a partire dalla 5' finendo alla 3'. Secondo questa convenzione i legami fosfodiesteri vanno dal 3' al 5'

47 Sequenza Si descrive attraverso l’ordine delle Basi Azotate partendo dall’estremità 5’ fino all’estremità 3’ Adenosina (Base Azotata) Adenosina (Base Azotata) Citosina (Base Azotata) Timina (Base Azotata) ZuccheroFosfatoZuccheroFosfatoZuccheroFosfato -A-T-C-

48 La struttura secondaria del DNA La doppia elica Studi ai raggi X Sistema regolare che si ripeteva con una certa periodicità Le quantità di A e di T erano sempre uguali e che le quantità di G e C erano uguali Studi ai raggi X Sistema regolare che si ripeteva con una certa periodicità Le quantità di A e di T erano sempre uguali e che le quantità di G e C erano uguali

49 Salvatore Consoli Struttura secondaria del DNA La struttura secondaria non è casuale ma è dovuta ai legami ad idrogeno che si formano tra le basi

50 Salvatore Consoli50 Modello di Watson e Crick Il DNA è costituito da due catene polinucleotidiche a elica avvolte intorno a un asse comune. Le eliche sono destrogire e i due filamenti si sviluppano in direzioni opposte, con riferimento alle loro estremità 3' e 5'.

51 Salvatore Consoli51 Le basi puriniche e pirimidiniche si trovano all'interno dell'elica, su piani che sono perpendicolari all'asse dell'elica, mentre i gruppi deossiribosio e fosfato formano la parte esterna dell'elica. Le due catene sono tenute insieme da coppie di basi puriniche-pirimidiniche, legate con legami idrogeno. L'adenina (A) è sempre accoppiata con la timina (T) e la guanina (G) è sempre accoppiata con la citosina (C).

52 L'adenina (A) è accoppiata con la timina (T) con due legami ad idrogeno La guanina (G) è accoppiata con la citosina (C) con tre legami ad idrogeno.

53 Salvatore Consoli53 Il diametro dell'elica è di 20 Å. Le coppie di basi adiacenti sono separate di 3,4 Å e si succedono ad ogni avanzamento dell'elica di 36º. Ci sono perciò 10 coppie di basi per ogni giro completo dell'elica (360º) e la struttura si ripete ogni 34 Å. Non c'è nessuna limitazione alla sequenza di basi lungo una catena polinucleotidica. Dalla sequenza esatta però dipende l'informazione genetica.

54 Stabilità della doppia elica La formazione della doppia elica è favorita da Interazioni idrofobiche derivanti dall'impaccamento delle basi dalla formazione di legami ad Idrogeno tra le coppie di basi. La formazione della doppia elica è sfavorita da: Repulsione elettrostatica dei fosfati che si trovano sullo scheletro dei filamenti Dall'entropia conformazionale Formazione di legami ad Idrogeno con l'acqua. Le Possibili strutture della doppia elica Il modello di doppia elica proposto da Watson e Crick rappresenta la struttura del BDNA. La struttura ai raggi X confermò essenzialmente il modello proposto, ma mostrava come essa fosse in realtà una semplificazione in quanto la struttura molecolare mostrava molte variazioni e distorsioni locali rispetto alla struttura ideale E' importante comprendere che la struttura secondaria del DNA non è rigida ma flessibile e dipende dalla esatta sequenza dei nucleotidi e può essere modificata in seguito ad interazioni con proteine ed altre molecole. Sotto altre condizioni è possibile che si produca un altro modello di elica ADNA. Recentemente è stata descritta una ZDNA, destrosa, il cui significato biologico è sconosciuto. Qui c'è un confronto tra i diversi modelli di elica. La forma A è la conformazione ad elica adottata dal DNA e RNA, ARNA, in quanto l'ossidrile in posizione 2' del ribosio impedisce stericamente la formazione della conformazione B. La maggior parte del DNA della maggior parte dei microrganismi è una doppia elica nella sua forma B

55 Salvatore Consoli55 A DNAB DNAZ DNA Tipo d'elicadestrosa sinistrorsa Diametro~26 Å~20 Å~18 Å Coppie/giro1110.512 Viste laterali Viste dall'alto Le eliche del DNA (Tutte le molecole qui illustrate contengono dodici coppie di basi )

56 ADNA BDNA Quello di Watson e Crick ZDNA

57 La struttura terziaria del DNA A causa dell'estrema lunghezza del DNA, la sua struttura terziaria è molto complessa. Comunque si possono discutere alcune strutture. Superavvolgimento Il DNA di batteri, mitocondri, plastidi e alcuni virus è costituito da un anello chiuso. Il DNA circolare può assumere un aspetto incurvato o avvolto come dalle seguenti immagini al microscopio.

58 Il DNA puo'subire un processo di denaturazione (apertura dei due filamenti, che se non sono ulteriormente alterati ritornano spontaneamente a formare la doppia elica) dovuto ad un aumento di calore. Tale denaturazione puo'essere reversibile, e si ha la ricostituzione del DNA (rinaturazione)

59 Si duplica per conservare e passare le informazioni a tutte le cellule Immagazzina informazioni organizzate in unità costituite da sequenze di nucleotidi dette geni Fa fluire le informazioni immagazzinate alle proteine che le esprimono fisicamente Scrive la nostra individualità Ruolo

60 L’RNA è un poliribonucleotide costituito da un singolo filamento I nucleotidi non sono tutti uguali ma differiscono per le basi Ci sono 4 differenti tipi di basi: Adenina Citosina Guanina Uracile Ci sono 4 differenti tipi di basi: Adenina Citosina Guanina Uracile RNA (acido ribonucleico)

61 Sostituisce il deossiribosio Sostituisce la timina RNA (basi: Adenina, racile Citosina e Guanina) Zucchero :ribosio Polinucleotide 1 sola elica)

62 Differenze RNADNA

63 I polimeri DNA e RNA sono polinucleotidi i cui nucleotidi sono legati tra loro da legami fosfodiesterici tra gli OH 5' di un nucleotide e il 3' di un idrossile seguente. I nucleotidi sono acidi forti in quanto i due pKa del fosfodiestere sono tra 0.7 ed 1 e 6.1 e 6.3.Di conseguenza lo scheletro dell'RNA e DNA sono normalmente carichi negativamente